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单词 为什么说物质在宇宙空间中不是均匀分布的
释义 为什么说物质在宇宙空间中不是均匀分布的
我们所在的地球是太阳系中的一个行星,太阳是银河系中的一个普通恒星,而银河系也不过是宇宙中千亿个星系中的一员。那么,这些星系以及物质在更大尺度上又是如何分布的呢?一个比较自然的想法是,宇宙中的各个地方应该是平等的,到处都分布着星系,没有哪个点是特殊的,在足够大的尺度上,物质可以说是均匀分布的。因为哥白尼日心说把地球降到一个普通行星的地位,打破了把地球放在宇宙中心的传统,所以这一“宇宙中处处平等”的思想被称为“哥白尼原理”或“宇宙学原理”。
但是观测发现,宇宙并不是完全均匀的:有的地方有星系,有的地方没有星系,还有的地方星系特别多,成为星系团。这看起来和“宇宙学原理”相违背,其实并没有。因为星系密集或稀疏的地方并没有什么特殊之处,只是偶然形成的,这称为“随机分布”,可以通过统计的方法加以研究。物质和星系在远大于单个星系的尺度上的非均匀分布,通常称为大尺度结构。
那么,宇宙中的大尺度结构究竟又是什么样子呢?这需要通过实际的天文观测找出答案。这种观测称为巡天观测,也就是系统地观测一大片天空,记录下其中所有星系的位置、亮度和性质,再根据这些数据分析出星系的分布规律。
现代的光学巡天可以分为两种,第一种是通过照相获得天体的像、亮度和在天球上的二维坐标(赤经和赤纬)。例如,在1949-1958年间用帕洛玛山天文台1.2米口径施密特望远镜进行的帕洛玛巡天(POSS),拍摄了赤纬-30°以北的天空。这一巡天观测的最暗天体星等为22等。但从这种观测中,还不能确定天体到我们的径向距离。

斯隆数字巡天获得的宇宙大尺度结构图示
第二种巡天是在照相巡天的基础上,挑出一些目标拍摄其光谱。这种巡天可以根据星系光谱中一些谱线波长相对于标准波长的变化,确定其红移。距离越远,星系的红移越大,因此可以由红移确定我们和该星系之间的距离,从而给出星系的三维坐标,更好地反映星系的空间分布。不过,光谱观测所需的时间比较长,因此要完成光谱巡天比照相巡天难。20世纪80年代初期,由哈佛大学天体物理中心(CfA)完成的CfA红移巡天第一次揭示了宇宙的大尺度结构。此后,人们又开展了一系列大尺度结构巡天。迄今为止,最大规模的巡天是美国的斯隆数字巡天(SDSS),该巡天既包括测光巡天,也包括光谱巡天。
CfA巡天观测的第一片天区,有点像一个扇面或切开的一片西瓜。在图上,每个星系用一个点表示,其到扇形端点的距离(径向坐标)与星系的退行速度(等于红移乘光速)成正比,可以直观地显示出这一区域内的大尺度结构。图中可以清晰地看到,星系的分布并不均匀,有一些地方星系形成纤维状或板块形的结构,称为巨壁,绵延几千万光年。还有一些地方则几乎没有星系,形成巨洞。在该图中心部分,还有一个几乎沿径向的结构(有点像一个人形),被称为“上帝的手指”。这实际是一个星系团,团内的星系有相对星系团中心的随机运动,每个星系的速度又不相同,这一速度叠加到宇宙学红移上,就使得本来在空间上密集在一起的星系在红移方向(即沿我们的视线方向)上呈现较大的弥散,从而形成了“上帝的手指”。(陈学雷)

CfA巡天观测的第一片天区
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